Większa wydajność upraw dzięki dostosowaniu mechanizmu fotooddychania
Rośliny wykorzystują fotosyntezę w celu przetwarzania światła słonecznego i dwutlenku węgla w cukry i biomasę. Kluczowy enzym - Rubisco - może reagować z tlenem zamiast dwutlenkiem węgla, w wyniku czego zachodzi proces zwany fotorespiracją lub fotooddychaniem. Proces ten wiąże się z istotnym zużyciem energii, a także uwalnianiem uprzednio związanego CO2 z powrotem do atmosfery. Jednocześnie ogranicza sprawność fotosyntezy i wpływa na wydajność upraw, szczególnie w gorącym i suchym klimacie. Zespół finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu GAIN4CROPS(odnośnik otworzy się w nowym oknie) postawił sobie za cel przeprojektowanie tego nieefektywnego procesu. W tym celu badacze przeanalizowali zarówno naturalne, jak i syntetyczne strategie ograniczania uwalniania dwutlenku węgla, aby opracować bardziej wydajne pompy węglowe i syntetyczne szlaki metaboliczne. Zastosowanie tych strategii może zwiększyć wydajność upraw i poprawić efektywność wykorzystania zasobów, jednocześnie wspierając rozwój bardziej zrównoważonego rolnictwa.
Narzędzia doświadczalne i teoretyczne źródłem przełomowych rozwiązań
Większość roślin należy do kategorii C3, która obejmuje rośliny nieposiadające zdolności do ograniczania fotooddychania. Wśród nich znajdują się drzewa. Rośliny C4, które występują powszechne w gorętszych obszarach, charakteryzują szlaki ograniczające występowanie tego zjawiska. Zespół projektu GAIN4CROPS przyjrzał się słonecznikowi - istotnej z punktu widzenia europejskiej gospodarki roślinie uprawnej, która jest wykorzystywana do produkcji żywności, paszy i oleju. Co istotne, choć zwykle słoneczniki są roślinami C3, niektóre dzikie odmiany należą do hybrydowej kategorii C3-C4. Dzięki temu stanowią źródło cennej wiedzy na temat ewolucyjnego rozwiązania problemu fotooddychania. Łącząc genomikę, biologię syntetyczną i inżynierię metaboliczną badacze opracowali syntetyczne rozwiązania problemu fotooddychania, które zmniejszają wydalanie dwutlenku węgla. Rozwiązania te udało się skutecznie wprowadzić do modelowej rośliny z gatunku Arabidopsis. „Zastosowanie tych rozwiązań wpłynęło pozytywnie na rozwój rośliny i przyrost biomasy, co potwierdza słuszność założenia mówiącego, że przeprojektowanie podstawowych procesów metabolicznych jest biologicznie możliwe”, wyjaśnia Andreas Weber, koordynator projektu z Uniwersytetu im. Heinricha Heinego w Düsseldorfie(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Zespół opracował także obszerne zbiory danych genomicznych i transkryptomicznych pojedynczych komórek i pojedynczych jąder roślin związanych ze słonecznikiem i hybrydowych odmian C3-C4. Co istotne, był to jedynie jeden z wielu obszarów, w których zakres opracowanych danych był znacznie szerszy niż zakładały to pierwotne przewidywania. Dzięki temu badacze wyciągnęli szereg przełomowych wniosków dotyczących kontroli genetycznej i przestrzennej organizacji fotosyntezy. „Modele obliczeniowe symulują oparty na fotosyntezie metabolizm dwutlenku węgla i przewidują zachowanie syntetycznych szlaków wewnątrz komórek roślinnych. Te rozwiązania umożliwiają badaczom ocenę nowych strategii i porównanie działania ścieżek przed przeprowadzeniem czasochłonnych doświadczeń. Dzięki temu projektowanie tych szlaków jest bardziej przewidywalne, skalowalne i wydajne”, zauważa Weber.
Wyzwania z przekładaniem przełomowej teorii na praktykę
Choć zespół projektu GAIN4CROPS dowiódł skuteczności przełomowego rozwiązania w zakresie zwiększania wydajności upraw, badacze dostrzegli także „trudności techniczne i czas, który jest wymagany do przełożenia odkryć naukowych na praktyczne rozwiązania. W całej Europie potrzeba nowych wspólnych obiektów, dzięki którym będzie możliwa transformacja rolnictwa”, dodaje Weber. Webinarium(odnośnik otworzy się w nowym oknie) przeprowadzone we współpracy z projektami EU-SAGE (European sustainable agriculture through genome editing) i Reimagine Europa dotyczyło nowych technik genomicznych, inżynierii fotosyntetycznej i niepewności związanej z przepisami. Dyskusje skupiały się na potrzebie wypracowania opartych na wiedzy naukowej i proporcjonalnych przepisów w celu wspierania odpowiedzialnego wykorzystania nauki o roślinach do realizacji praktycznych rozwiązań.
Nowe rozwiązania kluczowym czynnikiem zwiększającym wydajność upraw
„Uprawy uwalniające mniejszą ilość dwutlenku węgla w wyniku fotooddychania mogą dawać lepsze plony przy bardziej efektywnym wykorzystaniu wody, składników odżywczych i gruntów. Dzięki temu sektor rolnictwa może przystosować się do skutków zmiany klimatu, jednocześnie zmniejszając presję na środowisko”, zauważa Weber. Przejście od pojedynczych doświadczeń potwierdzających słuszność założeń do prawdziwie skalowalnego i przełomowego podejścia do inżynierii upraw będzie wymagało zastosowania podejścia multidyscyplinarnego. Zespół projektu GAIN4CROPS pokazał możliwości związane z takimi rozwiązaniami. Narzędzia, zbiory danych i strategie inżynieryjne opracowane w ramach projektu GAIN4CROPS mogą wspierać dalsze prace na rzecz poprawy wydajności wielu roślin uprawnych wykorzystywanych w celu produkcji żywności i energii na całym świecie.
